真正的利器：对比学习SimCSE

最近看了一篇最新的Sentence Embedding论文，今年4月份的，丹琦大神发表的《Simple Contrastive Learning of Sentence Embeddings》， 简称就是SimCSE，直译过来就是 基于简单对比学习句子嵌入。和没有对比学习的Bert相比，个人认为最大的区别就是：

• 考虑到了拉大当前样本和不相关样本的距离，uniformity。 而原始的Bert仅仅考虑了相似样本越相似越好，也就是Alignment。

整篇文章的关键词有两个，simple 和 Contrastive Learning。接下里，我们分别来看下，如何简单，又如何对比学习。

Contrastive Leaning

释义

对比学习，顾名思义，就是两个事物之间作比对，山羊和绵羊之间相似度高。 山羊和飞机之间相似度低。而其思想就是，让相似度更加拉近，不相似的之间距离更加远。有点类似于聚类的思想，类的内部距离越小越好，类的外部距离越大越好。其损失函数的设计也吻合了上面思想：

损失函数

假设我们数据集中有两个相似样本，x_i⁺和x_i， 那么他们的输出为h_i⁺和h_i， 他们应该是相似的，越小越好，距离越近，即分子越小越好。

而分母则是，x_i和数据集中其他的样本的距离，不相识的样本，越大越好，即分母越大越好。
总起来说，就是这个损失越小，越能达到对比学习的思想。

评价指标

引入两个指标分别刻画对比学习的两个目标：

• Alignment： 代表相似样本之间距离更近。
  其公式为：

  
  
  公式
  
  

  所有的样本和自己的相似样本做差平方，越小越相似。在下面图上更直观:

  
  
  image.png
  
  假设x和y是相似样本，那么输出的向量f(x)和f(y) 越近越好，最好到了一个点上。

• uniformity
  uniformity是从另一个角度来考虑问题，不相关的样本越远越好。
  其公式为：

  
  
  公式
  
  

  这个公司可以近似看做熵， 假设x和y是不相似样本，那么输出的向量f(x)和f(y) 越远，uniformity越小，最好不相关都滚远点。
  下面图上更直观：

图

每一家都住在这个图上，家庭内部都住着相似样本，家之外都不相似，彼此离得越远越好，也许最理想的境界就是 每一家彼此都离的差不多远，比较平均的住在这个球上，这样整体的平均距离才能达到最大，这也就是熵的含义。 因为均匀分布信息熵最高,分布越均匀则保留的信息越多.

SimCSE

原理和损失函数都有了，接下来是如何构造正负例了。 在这文章中，分为两种情况，分别取构建自己的正负例。

Unsupervised SimCSE

image.png

实线箭头代表正例，虚线代表负例。

• 正例构造： 给定输入，用Bert Encoder两次得到的两个向量和作为正例对。
  由于Bert本身就有随机DropOut 功能，所以同一句话 走两次Bert，得到的两个向量不同，但是是相似的。因为原样本和生成的正样本的语义是完全一致的，只是生成的embedding不同而已，可以看做Bert Encoder过程中，对数据做了一个小增强。
• 负例构造：使用in-batch negatives的方式，即随机采样一个batch中另一个输入作为的负例。说白了就是batch中其他的样本就是负例。

• 损失如下：

  
  
  image.png

而且这种dropoutmask 比数据增强也强很多，文章中实验指标如下：

image.png

为什么会强这么多呢？这是个好问题

可能是，增强嘛，无非对输入的原始词做改变，无论是删除，替换，回译等等吧，毕竟是源头上，离最后的输出太远了。而 Dropout基本上是最后的阶段，干掉一些神经元，可能效果更直接一些。

Supervised SimCSE

image.png

正例就是人工标注的相关的，负例就是batch中其他的负样本。
损失函数：

image.png

如下图：

image.png

Two dogs are running. 和 There are animals outdoors. 是人工标注的相关的两句话，所以是正例，用实线连接的。
其他的都是负例，用虚线连接的。同一个batch的中的。

总结

整篇论文，我觉的两个亮点：
1.考虑到了拉大当前样本和不相关样本的距离，uniformity。 而原始的Bert仅仅考虑了相似样本越相似越好，不会考虑不同的样本间的距离增大，也就是Alignment。

2. Dropout在Encoder内部干预，要比源头增强更好，更直接。